แนวเส้นทางเป็นเส้นทางยกระดับทั้งโครงการในแนวเหนือ-ตะวันออก ผ่านกรุงเทพมหานคร จังหวัดสมุทรปราการ และจังหวัดปทุมธานี มีจุดเริ่มต้นของทั้งโครงการที่สถานีสยาม ซึ่งเป็นจุดเชื่อมต่อกับรถไฟฟ้าบีทีเอส สายสีลม รวมระยะทางทั้งสิ้น 52.65 กิโลเมตร นับเป็นเส้นทางรถไฟฟ้าขนส่งมวลชนที่ยาวที่สุดในกรุงเทพมหานคร

ในแนวเหนือ เส้นทางจะเริ่มจากสถานีสยามไปทางทิศตะวันตกตามแนวถนนพระรามที่ 1 ก่อนเลี้ยวขวาที่สี่แยกปทุมวัน วิ่งขึ้นไปทางทิศเหนือตามแนวถนนพญาไท เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้ามหานคร สายสีส้มที่สถานีราชเทวี รวมทั้งรถไฟฟ้าเชื่อมท่าอากาศยานสุวรรณภูมิและทางรถไฟสายตะวันออกที่สถานีพญาไท จากนั้นหักโค้งผ่านอนุสาวรีย์ชัยสมรภูมิและตรงเข้าสู่ถนนพหลโยธิน ข้ามทางพิเศษศรีรัช เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้ามหานคร สายเฉลิมรัชมงคล ที่สถานีหมอชิต จากนั้นยกระดับข้ามทางยกระดับอุตราภิมุขที่ความสูง 26 เมตร แล้วเชื่อมต่อกับรถไฟฟ้ามหานคร สายเฉลิมรัชมงคลอีกครั้งที่สถานีห้าแยกลาดพร้าว รวมทั้งรถไฟฟ้าสายสีเหลืองที่สถานีพหลโยธิน 24, รถไฟฟ้าสายสีน้ำตาลที่สถานีมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ และรถไฟฟ้าสายสีชมพูที่สถานีวัดพระศรีมหาธาตุ จากนั้นผ่านกองทัพอากาศและท่าอากาศยานดอนเมือง ก่อนเบี่ยงเข้าสู่ถนนตัดใหม่ ข้ามคลองหกวาเข้าสู่จังหวัดปทุมธานี แล้ววิ่งเข้าถนนลำลูกกา และไปสิ้นสุดในแนวเหนือที่สถานีคูคต

ในแนวตะวันออก เส้นทางจะเริ่มจากสถานีสยามไปทางทิศตะวันออกตามแนวถนนพระรามที่ 1 และถนนเพลินจิต ข้ามทางพิเศษเฉลิมมหานคร ก่อนเข้าสู่พื้นที่เศรษฐกิจตามแนวถนนสุขุมวิท โดยจะไปเชื่อมต่อกับรถไฟฟ้ามหานคร สายเฉลิมรัชมงคลอีกครั้งที่สถานีอโศก และเชื่อมต่อกับรถไฟฟ้าสายสีเทาที่สถานีทองหล่อและสถานีพระโขนง จากนั้นข้ามคลองพระโขนง ลอดใต้ทางพิเศษฉลองรัช เข้าสู่พื้นที่ชานเมืองฝั่งตะวันออก ลอดใต้ทางพิเศษบูรพาวิถีไปเชื่อมต่อกับรถไฟฟ้าสายสีฟ้าอ่อนที่สถานีบางนา และมุ่งหน้าตรงเข้าสู่จังหวัดสมุทรปราการ เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้าสายสีเหลืองอีกครั้งที่สถานีสำโรง จากนั้นวิ่งต่อไปตามแนวถนนสุขุมวิท ข้ามถนนกาญจนาภิเษกฝั่งใต้ (ทางพิเศษบางพลี-สุขสวัสดิ์) ที่ความสูง 28 เมตร แล้วมุ่งหน้าไปทางทิศตะวันออกเฉียงใต้ตามแนวถนนสุขุมวิท และสิ้นสุดเส้นทางทั้งระบบที่สถานีเคหะฯ